摘要：以实际模具零件加工为例，分析了五轴加工技术在模具零件加工中的应用，与三轴加工技术相比较，五轴加工技术提高了零件质量和加工效率，减少了电极数量，缩短了模具生产周期，在模具制造业中有广阔的应用前景。

       1 、引言

      随着科技的发展，对模具零件加工技术的要求越来越高，五轴加工技术的应用也越来越广泛。五轴加工技术对自由曲面的加工具有极大的优势，最初用于航空航天装备零件的加工，后来，随着五轴加工技术的不断成熟和“平民化”，汽车、模具等行业也开始应用五轴加工技术。

      五轴加工技术指机床使用5 个坐标轴（X、Y、Z  3 个坐标轴和任意2 个旋转轴）对零件进行加工，如图1 所示。其中，绕X、Y、Z 的旋转轴分别称为A、B、C轴，相对传统的三轴加工技术，增加了A、B、C中的任意2个自由度。

      五轴联动加工和五轴定位加工是2 个不同的概念。五轴联动加工是指机床在计算机数控（CNC）系统的控制下，5 个坐标轴同时协调运动，要求加工刀具在5 个自由度上能进行任意定位和连接，多用于加工涡轮机零部件、叶轮等复杂曲面。五轴定位加工是一种“3+2”的加工方式，根据加工零件的局部形状对2 个旋转轴进行调整，达到最佳的加工角度，然后对局部进行加工，是模具行业零件加工逐步开始使用的加工方式。下面以一些典型模具零件为例，简单分析五轴定位加工与三轴加工的优缺点，为描述方便，文中五轴加工均指五轴定位加工。

      2 、五轴加工技术应用分析

     五轴加工能有效地提高机加工效率，主要体现在：

    （1）一次装夹零件，即可完成全部或大部分加工。
    （2）局部区域加工精度高，时间短。
    （3）减少电极数量，缩短模具生产周期。

     零件本身的形状特点决定了其机加工方式。编程之前需要先对零件各部分形状进行分析，确定零件摆放形式和刀具选用。图2 为空调骨架模具零件的三维图，是模具生产中采用五轴加工技术加工的典型零件。表1 是空调骨架模具零件编程前的分析。

      由表1 可见，五轴加工通过一次装夹零件，可完成全部或大部分的加工，减轻机床操作人员的工作量，节约加工时间，缩短模具制造周期。

      加工是通过刀具与工件的接触，利用刀具的高速旋转来实现切削的目的。刀具与被加工工件表面的接触角度不同，切削原理也不同，最终会导致不同的切削效果和加工质量。

      侧刃切削和平面光刀时，刀具与工件是面接触，相比点接触的加工效率高，而且表面加工质量高，减轻后期零件表面抛光的工作量。采用三轴加工时，只能选择“斜面”的加工方式，如图3（b）、3（c）所示。使用球刀，刀具与零件加工表面始终只有一个接触点，加工效率低，而且两条刀路之间存在“残高”，后期必须进行抛光且抛光的工作量大。同一个区域，使用五轴加工，通过定位，待加工表面与刀轴垂直，如图3（d）、3（e）所示，使用平面光刀的切方式，刀具与工件呈面接触，加工效率高，延长刀具使用寿命[2]，而且刀路之间不存在“残高”，加工表面光洁平整，后期进行简单抛光即可达到要求。

      刀具的高速旋转要求刀具有一定的长径比（长度与直径之比）。刀具长径比过大，切削过程中刀具会产生振动，导致加工精度不高，甚至发生过切。三轴加工时，当零件高度较高时，必须选择直径较大的刀具并将刀杆加长才能对零件进行加工，如图4 所示，还会产生残留较多的加工余量且降低零件的加工精度。若采用五轴加工，使用较小的刀具即可实现零件的加工，保证了零件的加工精度，刀轴与加工表面垂直，零件角落可实现完全加工，残留余量小。

   
      模具零件加工过程中，需要电极与刀具加工的配合来实现零件的各种形状，使用五轴加工可以有效地减少电极数量。

      产品设计决定了模具设计，进而决定了各零部件的形状。产品设计时主要依据客户要求，讲究外形美观，细节精致，使用方便，这样就给模具零件加工提出了更高的要求。如图5 所示零件侧壁上有一小台阶，三轴加工时无法加工到位，必须配电极进行电火花清根，图5（a）所示为加工电极，电极外形尺寸103mm×28mm×184mm，加工费时。采用五轴加工，选择合适的角度，如图5（b）所示，侧壁台阶可完全铣出，无需电火花加工。

      成型塑件圆角处的型腔加工也是注射模中极为常见的，加工时称为“清根”。清根时根据零件圆角半径选择合适的刀具，常用小直径刀具加工，受长径比限制，刀具长度有限，某些较深的型腔圆角处三轴加工无法加工到位，只能借助电极清根。图6（a）所示为三轴加工所需清根电极，图6（b）为五轴加工清根刀路示意图。表2 为图6（a）的清根电极尺寸，电极外形尺寸较大，加工费时。表3 为二者所需流程和时间的对比分析。由表3 可见，使用五轴加工清根，加工流程简单，时间短，能有效缩短模具生产周期，节省人力和设备的使用。

      采用五轴加工时，刀具和工件的工作空间极为复杂，二者的相对运动也难以想象，为了保证加工程序的准确性，必须对五轴加工编程进行仿真模拟，使运动可视化，避免实际加工中的质量事故。NX6.0 软件可以实现五轴加工的仿真模拟，调用零件模型、机床模型、夹具模型及刀具模型，读取程序数据，实现工件和刀具之间的相对运动，以三维动画的形式模拟实际加工中的运动和切削过程 。此外也可以对各部件之间的干涉以及零件的过切进行检测，如图7 所示。通过仿真模拟，编程员可以看到实际加工过程，及时发现问题，有效地保障了五轴加工编程的准确性。

      五轴加工较三轴加工多了2 个自由度，因此对机床的性能也有更高的要求，需使用特定的五轴加工机床。编程时要考虑机床工作台尺寸、行程、主轴转速、角度分辨率、旋转角度、承重吨位等，根据待加工零件实际情况选择合适的机床，结合机床性能确定装夹形式、角度设置等，要求编程员具有丰富的经验，熟悉机床性能和软件操作。对机床和编程员的高要求提升了加工成本，这也是限制五轴加工技术广泛应用的一个重要因素。

      3、 结束语

      模具零件生产中采用五轴加工技术，可以有效地提高加工效率和零件加工精度，减轻零件表面抛光工作量，减少电极数量，缩短模具生产周期，但是对加工机床和编程人员的要求较高。随着国民经济的增长和科学技术的发展，机械装备制造业不断进步，五轴机床制造技术日益成熟，而且国家也越来越重视人才的培养，这些都为五轴加工技术的飞速发展和“平民化”奠定了坚实的基础，五轴加工在模具零件生产中的应用也会日益广泛。